金属线胀系数测定实验仪的研究综述

章韦芳 强晓明

合肥师范学院电子信息工程学院，安徽 合肥 230601

金属线胀系数的测定是大学物理实验中一个基本的热学实验。绝大多数物质受热都要膨胀，各种各样的工程结构如房屋、铁路、机械等。如果没有事先考虑到这一特性，则可能造成严重的后果[1]。因此，表征物质受热膨胀规律的热胀系数成为选用材料的一项重要指标。材料的线膨胀是材料受热膨胀时，在一维方向上的伸长。线胀系数是表征这一伸长性能的重要参数。

1 实验原理

在一定的温度范围内[2]，固体受热后，其长度都会增加，设物体原长为L，由初温t1加热至末温t2，物体伸长了△L，则有

上式表明，物体受热后其伸长量与温度的增加量成正比，和原长也成正比。比例系数αl称为固体的线胀系数。在金属的线胀系数测量实验中，主要的问题是怎样给金属棒升温和如何测准温度变化所引起的长度微小变化△L。迄今为止，出现过许多用不同加热方法、不同测量长度微小变化的方法组合成的实验仪。并且，随着科技和实验方法的发展，测量微小长和度温度的仪器也有很大的发展和改进，从而又出现了许多种用精密仪器测量长度微小变化和温度的金属线胀系数实验仪。总体分析，有以下几种不同的加热金属、测量长度微小变化和测量温度的方法。

2 实验方法分析

2.1 加热金属的方法

2.1.1 流水加热法[3]

在这种实验仪中，金属棒水平放置，采用恒温水进行加热。这种仪器在使用中由于水管老化等问题稍不注意就会漏水。仪器使用寿命不长。金属棒加热温度的上限只有九十多度。很难满足更大范围实验数据的测量。

2.1.2 水蒸气加热法[3]

在这种实验仪中，金属棒竖直放置在一个金属桶内，金属升温是依靠蒸汽锅产生的蒸汽加热。这种仪器的缺点是输蒸汽管非常容易老化，产生漏气或烫伤；排出的蒸汽使实验室环境潮湿；蒸汽在实验开始时进入金属桶内会冷凝，产生的液体水不好进行处理；加热的温度最高为100度，使实验数据测量范围无法扩展。

2.1.3 电加热法

利用金属是热的良导体的特性，现在一般采用电加热法：采用电阻丝加热的方法使导热性能良好的加热槽或加热盘[4]升温，然后使与加热盘或加热槽接触良好的金属棒升温，达到加热的目的。这种加热方式的缺点是接触不良好的话，加热效果就很差，且会使金属棒受热不均匀。

在这三种加热方法中，虽然前两种方法使金属棒受热均匀，但由于实验仪器繁琐、不易操作，且容易损坏，在大学物理实验教学中正逐步地被电加热法所取代。电加热法使仪器结构简单、操作方便、经久耐用，还可以将金属棒加热到100度以上甚至几百度，大大地扩大了实验数据的可测量范围。随着电加热法中加热槽结构的进一步改进，金属棒的受热已趋于均匀[4]。

2.2 测量微小长度变化的方法

传统的测量微小长度变化、微小伸长量的仪器有：光杠杆、移测显微镜和千分表等。光杠杆和读数显微镜分别适合竖置放置和水平放置金属棒的两种情况，千分表则在两种放置方法下都能使用。这些仪器虽然测量精度不是特别高，但是原理和操作方法都很简单，适合在大学物理实验教学中使用。随着光学实验和传感器技术的发展，单色光的劈尖干涉法、衍射法、激光干涉法和传感器测量法等测量方法也被引入到该实验中来对长度微小变化做更加精确的测量[5-12]，使测量误差进一步减小，有的可达到小于0.5%。但是这些测量方法的原理相对复杂一些，实验操作技能也有更高的要求，适合专业的学生来学习和操作。

2.3 测量温度的方法

温度的测量可以用温度计，也可用温度传感器。在一些实验仪器中，特别是用蒸汽和水进行加热的实验装置中一般使用温度计测温，而对于用电加热的实验装置，则一般配温度传感器进行测温，因为不同温度传感器的测温范围不同，有的测温范围达几百度。温度传感器的发展非常迅速，现在都能达到非常精确的测量效果[13]。

在测量金属线胀系数的过程中，通常采用升温的方式进行数据测量，但是也可以反过来利用降温过程来测量数据。这样可以有效避免升温过程中温度计示值和金属棒实际温度不符带来的误差[14]。

3 结语

通过以上分析，可以看出，适合用于大学物理实验教学的金属线胀系数实验仪应采用电加热的加热方式，根据实际教学要求选择精度合适、操作简单的测量长度微小变化的仪器，并用温度传感器进行测温。在实验时，可采用降温过程测量数据的方式进行。

从金属线胀系数的发展过程可以看出，在现有的金属线胀系数实验仪中，通常都只能对一种金属进行测量，实验数据很有限，分析所得结论也很简单。如何在一次实验中，对不同种类的金属，在不同的温度、不同原长的条件下进行实验数据的测量，从而分析不同种类金属，在不同温度下，不同原长时的线胀系数的变化规律。这是金属线胀系数实验仪的未来必然发展方向，也是教学中日益重视培养学生实验综合分析能力的必然要求。

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